基于CAN总线斗式计量控制器的设计学士学位论文.docx
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基于CAN总线斗式计量控制器的设计学士学位论文
摘要
•基于CAN总线斗式计量控制器的设计。
玻璃厂称重配料自动控制系统的主要目标是根据原料配料的工艺要求,将颗粒状或粉状原料经称量、混合等工序,配制为成份、水分合格的混合料并送入熔窑料仓。
控制器主要由单片机、传感器、上位机等元件构成。
主要工作原理为通过传送带向量斗运送物料,量斗下方设有3个称重传感器,称重传感器通过测量的原料的重量信号转换为电信号,单片机接受通过A/D转换芯片转换的信号进行处理,如果称重的数值快要接近给定的数值,单片机发出控制指令对量斗下方的震荡装置进行控制使,置震荡的速度变慢,减少原料的投放速度直至称重数值达到设定的数值。
并采用CAN总线技术具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、,通用性好,抗干扰性能强,造价降低。
非常试用于工业称重自动控制系统。
关键字:
单片机、传感器、CAN总线
Abstract
DesignofbucketmeasurementcontrollerbasedonCANbus.Glassfactoryweighingbatchingcontrolsystemthemaingoalisaccordingtotheprocessrequirementsofrawmaterials,thegranularorpowderyrawmaterialthroughtheprocessesofweighing,mixing,preparationforcomposition,waterqualifiedmixtureandfedintothefurnacehopper.Thecontrolleriscomposedofthecomponentssuchassinglechipmicrocomputer,sensor,PCandsoon..Mainworkingprincipleisthroughtheconveyorbeltvectorbuckettotransportmaterial,bucketbelowwiththreeweighingsensor,weighingsensorthroughthemeasurementofrawmaterialswiththeweightsignalconversionintoelectricalsignals,themicrocontrollertoacceptthroughtheA/Dconverterofsignalprocessing,ifweighingnumericalgoingclosetothegivenvalue,theSCMsendsoutacontrolinstructiononbucketbelowtheconcussiondevicecontrol,setofshockspeedslows,reducerawmaterialdeliveryspeeduntilweighingvaluereachesthesetvalue.CANbustechnologyhasstrongreal-time,transmissiondistance,anti-interferenceability,andgoodversatility,anti-interferenceperformanceisstrong,thecostisreduced.Testontheautomaticcontrolsystemofindustrialweighing.
Keywords:
Microcontroller,sensor,CANbus
第1章绪论
1.1课题背景及意义
在玻璃生产过程中,有些产品是将某几种原料按照一定的比例混合,通过配制加工而成,这种按一定的比例混合原料的过程,就是配料的过程。
其混合比例是否按预先规定的配比进行,直接影响到产品的质量。
同时,配料质量控制的优劣也直接关系着下游生产能否顺利进行。
如果配料的质量达不到要求,轻则造成原料、能源的浪费,重则影响产品的质量
和产量,并且由于配料失误甚至会给整个生产酿成事故。
因此,要保证产品质量和生产的顺利进行,就要提高配料过程的精度和保证配料的速度。
玻璃是一种化学组成既定而又均质化的材料。
在玻璃的连续化生产中,原料配料的准确、均匀和稳定是生产优质玻璃的先决条件。
尤其是配合料的制备,需要同时对多种原料进行准确称量、混合、输送和投料,一旦出现事故势必造成重大经济损失。
因为一个现代化的大、中型玻璃池窑里容纳着一两千吨玻璃液,每昼夜要投入上百吨至数百吨配合料,而且在生产过程中各工序之间是连续作业,环环相扣,彼此影响很大,其影响在短时期内是难以清除的,造成的损失是以百万元来计算的。
由此可见原料的制备对玻璃生产的重要性。
原料的精确称量是配料工艺的核心,由于设备故障或者是人为因素都容易造成配料错料,因而引起玻璃质量的下降。
另外,如果采用人工配料,由于现场的粉尘较大,很容易对人的身体造成损害。
因此,提高配料系统的称量精度、提高系统自动化水平和可靠性,对保障玻璃生产线优质稳定生产、改善工人工作环境和提高劳动生产率有着重要的现实意义。
所以,原料配料的自动化是现代玻璃工业发展的必然趋势。
当今,随着计算机技术和自动控制技术飞速发展,人们普遍对生产过程自动化程度的要求也越来越高。
同样,在称重配料领域,人们对称重配料过程提出了“快速、准确、连续、自动”的要求。
为此,选择和设计合理的称重配料方式对实现原料的自动配料至关重要。
当今针对配料控制系统的应用研究也随着这种要求而广泛的开展起来,并且取得了许多成功的应用实例。
此外,食品、化工、饲料、陶瓷等行业也离不开配料生产过程,也必须通过自动配料控制系统来实现生产的自动化。
虽然这些行业所用的物料和生产工艺不同,但其配料控制系统所要完成的任务却基本相同,因此,研究和开发一种自动配料控制系统具有一定的实际意义。
本文的研究旨在使配料车间设备及控制系统满足玻璃生产对原料配料的工艺要求,并使整个系统达到高度自动化的同时具有更强的智能化。
1.2玻璃生产流程
玻璃是由石英砂、石灰石、长石、纯碱、澄清剂、着色剂/脱色剂、助熔剂、碎玻璃等原料经过高温熔融、成型、退火、切割等过程,形成的无色(白玻)透明的非晶态无机物。
玻璃具有一系列非常可贵的性质:
透明,坚硬,良好的耐蚀、耐热和电学、光学性质;能够用多种成型和加工方法制成各种形状和大小的制品;可以通过调整化学组成改变其性质,以适应不同的使用要求。
特别是制造原料丰富,价格低廉,因此获得了极其广泛的应用,在国民经济中起着重要的作用
1.配料,按照设计好的料方单,将各种原料称量后在一混料机内混合均匀。
玻璃的主要原料有:
石英砂、石灰石、长石、纯碱、硼酸等。
2.熔制,将配好的原料经过高温加热,形成均匀的无气泡的玻璃液。
这是一个很复杂的物理、化学反应过程。
玻璃的熔制在熔窑内进行。
熔窑主要有两种类型:
一种是坩埚窑,玻璃料盛在坩埚内,在坩埚外面加热。
小的坩埚窑只放一个坩埚,大的可多到20个坩埚。
坩埚窑是间隙式生产的,现在仅有光学玻璃和颜色玻璃采用坩埚窑生产。
另一种是池窑,玻璃料在窑池内熔制,明火在玻璃液面上部加热。
玻璃的熔制温度大多在1300~1600゜C。
大多数用火焰加热,也有少量用电流加热的,称为电熔窑。
现在,池窑都是连续生产的,小的池窑可以是几个米,大的可以大到400多米。
3.成形,是将熔制好的玻璃液转变成具有固定形状的固体制品。
成形必须在一定温度范围内才能进行,这是一个冷却过程,玻璃首先由粘性液态转变为可塑态,再转变成脆性固态。
成形方法可分为人工成形和机械成形两大类。
A.人工成形。
又有
(1)吹制,用一根镍铬合金吹管,挑一团玻璃在模具中边转边吹。
主要用来成形玻璃泡、瓶、球(划眼镜片用)等。
(2)拉制,在吹成小泡后,另一工人用顶盘粘住,二人边吹边拉主要用来制造玻璃管或棒。
(3)压制,挑一团玻璃,用剪刀剪下使它掉入凹模中,再用凸模一压。
主要用来成形杯、盘等。
(4)自由成形,挑料后用钳子、剪刀、镊子等工具直接制成工艺品。
B.机械成形。
因为人工成形劳动强度大,温度高,条件差,所以,除自由成形外,大部分已被机械成形所取代。
机械成形除了压制、吹制、拉制外,还有
(1)压延法,用来生产厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹金属丝玻璃等。
(2)浇铸法,生产光学玻璃。
(3)离心浇铸法,用于制造大直径的玻璃管、器皿和大容量的反应锅。
这是将玻璃熔体注入高速旋转的模子中,由于离心力使玻璃紧贴到模子壁上,旋转继续进行直到玻璃硬化为止。
(4)烧结法,用于生产泡沫玻璃。
它是在玻璃粉末中加入发泡剂,在有盖的金属模具中加热,玻璃在加热过程中形成很多闭口气泡这是一种很好的绝热、隔音材料。
此外,平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。
浮法是让玻璃液流漂浮在熔融金属(锡)表面上形成平板玻璃的方法,其主要优点是玻璃质量高(平整、光洁),拉引速度快,产量大。
4.退火,玻璃在成形过成中经受了激烈的温度变化和形状变化,这种变化在玻璃中留下了热应力。
这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性。
如果直接冷却,很可能在冷却过程中或以后的存放、运输和使用过程中自行破裂(俗称玻璃的冷爆)。
为了消除冷爆现象,玻璃制品在成形后必须进行退火。
退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。
此外,某些玻璃制品为了增加其强度,可进行刚化处理。
包括:
物理刚化(淬火),用于较厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽车挡风玻璃等;和化学刚化(离子交换),用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。
刚化的原理是在玻璃表面层产生压应力,以增加其强度。
号
1.3玻璃配料工业现状
玻璃工业在我国产业中是一个重要的行业,并在我国的经济建设中起着非常重要的作用。
改革开放以来,随着我国经济的快速发展,玻璃配料行业也得到了长足的发展。
特别是20世纪80年代后期,我国浮法玻璃出现了第一次发展高峰,以年增长35%的速度飞速发展,远远高于当时我国经济发展10%的增长速度,玻璃工业的发展异常引人注目。
近年来,玻璃生产行业的竞争日趋激烈。
因此,稳定并提高产品质量、产量和增强竞争力成为玻璃生产发展的主要目标。
而基于这个目标开发的适用于玻璃生产的称重配料系统必须具有高速度、高性能、高精度、高可靠性和稳定性等特点,以适应现代化生产的要求。
目前我国玻璃工业存在的主要问题及与国际先进水平的差距主要表现在:
资源、能源消耗高,综合利用水平低;整体技术、装备及管理水平与国际先进水平相比仍有较大差距;产品结构不够合理,优质浮法和深加工率偏低;企业数量多、规模小、国际竞争力差;企业科技创新和自主开发能力较差,缺乏具有驱动力的技术创新机制和能力;市场不规范,无序竞争现象比较突出等。
在玻璃配料技术方面,还存在着工艺落后、产品品种单一、设备装配
不合理和自动化程度低等弊端,难以适应现代化玻璃工业发展的需要。
在配料控制系统方面普遍存在的问题是:
配料精度低,机电控制部分的可靠性差;缺少数据库管理生产以及对生产过程的实时动态监视。
配料精度低主要原因是电子秤系统的动态性范围小或用于配料的算法不合理造成的;而可靠性差主要是中间继电器和微机控制系统的可靠性低所致。
可靠性是重要的质量指标,但由于机械工艺、电子元件等基础工业发展的滞后,国内的微机配料系统的可靠性与国外产品相比尚有一定差距。
同时随着网络化、信息化技术向自动化领域的渗透,使得自动化系统的体系结构面临一场深刻的变革,这种变革也必将对浮法玻璃自动化产生重大影响。
第2章斗式计量控制系器总体设计
2.1计量控制器的工作原理
玻璃厂称重配料自动控制系统的主要目标是根据原料配料的工艺要求,将颗粒状或粉状原料经称量、混合等工序,配制为成份、水分合格的混合料并送入熔窑料仓。
控制器主要由单片机、传感器、上位机等元件构成。
主要工作原理为通过传送带向量斗运送物料,量斗下方设有3个称重传感器,称重传感器通过测量的原料的重量信号转换为电信号,单片机接受通过A/D转换芯片转换的信号进行处理,如果称重的数值快要接近给定的数值,单片机发出控制指令对量斗下方的震荡装置进行控制使,置震荡的速度变慢,减少原料的投放速度直至称重数值达到设定的数值。
并采用CAN总线技术具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、,通用性好,抗干扰性能强,造价降低。
非常试用于工业称重自动控制系统。
图2-1为玻璃配料工艺流程图。
图2-1玻璃配料工艺流程图
玻璃配料工序是按照玻璃成份及融化要求,将粒度及成份符合标准的各种原料通过科学配比、称重、混合,为熔化提供合格的配料的过程,是玻璃生产的关键工序之一。
佳木斯玻璃厂运用玻璃原料主要有精砂、硅砂、重碱、白云石、石灰石、芒硝、煤粉、玻璃粉。
通过不同称重的量斗来称量不同的配料,主要工作原理为通过传送带向量斗运送物料,量斗下方设有3个称重传感器,称重传感器通过测量的原料的重量信号转换为电信号,单片机接受通过A/D转换芯片转换的信号进行处理,如果称重的数值快要接近给定的数值,单片机发出控制指令对量斗下方的震荡装置进行控制使,置震荡的速度变慢,减少原料的投放速度直至称重数值达到设定的数值。
在通过传送带将物料运送到下一部门进行工作。
图2-1.1为量斗结构示意图
图2-1.1量斗结构示意图
2.2玻璃控制器总体框图
系统总体框图如下:
图2-2配料控制总体框图
第3章系统硬件设计
3.1单片机系统
3.1.1单片机的选择及介绍
C8051F04X系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU,具有64个数字I/(C8051F040/2/4/6)或32个数字I/O引脚(C8051F041/3/5/7),片内集成了一个CAN2.0B控制器。
下面列出了一些主要特性;有关某一产品的具体特性参见表1.1。
高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)
控制器局域网(CAN2.0B)控制器,具有32个消息对象,每个消息对象有其自己的标识
全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)
真正12位(C8051F040/1)或10位(C8051F042/3/4/5/6/7)、100ksps的ADC,带PGA和
8通道模拟多路开关
允许高电压差分放大器输入到12/10位ADC(60V峰-峰值),增益可编程
真正8位500ksps的ADC,带PGA和8通道模拟多路开关(C8051F040/1/2/3)
两个12位DAC,具有可编程数据更新方式(C8051F040/1/2/3)
64KB(C8051F040/1/2/3/4/5)或32KB(C8051F046/7)可在系统编程的FLASH存储器
4352(4K+256)字节的片内RAM
可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口
硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口
5个通用的16位定时器
具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列
片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器
具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F04x系列器件是真正能独立工作的片上系统。
所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。
片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。
在使用JTAG调试时,所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
每个MCU都可在工业温度范围(-45℃到+85℃)工作,工作电压为2.7~3.6V。
端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。
C8051F040/2/4/6为100脚TQFP封装。
C8051F041/3/5/7为64脚TQFP封装。
图3-1.1C8051F04/2原理图
C8051F04x系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进,提高了整体性能,更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51提供20个中断源(标准8051只有7个中断源),允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预,因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时,这些增加的中断源是非常有用的。
MCU可有多达7个复位源:
一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR0输入引脚及/RST引脚。
/RST引脚是双向的,可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。
除了VDD监视器和复位输入引脚以外,每个复位源都可以由用户用软件禁止;使用MONEN引脚使能/禁止VDD监视器。
在一次上电复位之后的MCU初始化期间,可以用软件将WDT永久性使能。
MCU内部有一个独立运行的时钟发生器,在复位后被默认为系统时钟。
如果需要,时钟源可以在运行时切换到外部振荡器,外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。
时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的,它允许MCU从一个低频率(节电)外部晶体源运行,当需要时再周期性地切换到高速内部振荡器(可达25MHz)。
CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。
它包括256字节的数据RAM,其中高128字节为
双映射。
用间接寻址访问通用RAM的高128字节,用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。
CIP-51的SFR地址空间可包含多达256个SFR页。
通过SFR分页,CIP-51MCU可以控制大量用于控制和配置片内外设所需要的SFR。
数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。
前32个字节为4个通用寄存器区,接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。
C8051F04x中的CIP-51还另有位于外部数据存储器地址空间的4KB的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。
这个片内的4KBRAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址(以4K为边界重叠)。
外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合(4KB以下的地址指向片内,4KB以上的地址指向EMIF)。
EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。
MCU的程序存储器包含64KB(C8051F040/1/2/3/4/5)或32KB(C8051F046/7)的分块FLASH。
该存储器以512字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需特别的外部编程电压。
从0xFE00到0xFFFF的512字节被保留。
还有一个位于地址0x10000-0x1007F的128字节扇区,该扇区可用于存储小规模的软件常数表。
图1.7给出了MCU系统的存储器结构。
图3-1.3片内存储器组织
C8051F04x系列器件具有片内JTAG边界扫描和调试电路,通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。
该JTAG接口完全符合IEEE1149.1规范,为生产和测试提供完全的边界扫描功能。
SiliconLab的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。
不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。
在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。
当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时,所有的外设(ADC和SMBus除外)都停止运行,以保持同步。
开发套件C8051F040DK具有开发应用代码所需要的全部硬件和软件,并可对C8051F04xMCU进行在系统调试。
开发套件包含两个目标板和一条电缆,以便于评估简单的CAN通信网络。
开发套件中包括开发者工作室软件和调试器、目标应用板,板上有对应的MCU。
套件中还包括所需要的电缆及墙装电源。
串行适配器从应用板获取其电源,工作电压为2.7~3.6V,需要的电流大约为20mA。
对于不能从目标板上获取足够电流的应用,可以将套件中提供的电源直接连到串行适配器上。
对于开发和调试嵌入式应用来说,SiliconLabs调试环境比标准MCU仿真器要优越得多。
标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆,还需要在应用板上有MCU的插座。
SiliconLab的调试
环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。
图3.1-4调试环境示意图
3.1.1.1.可编程数字I/O和交叉开关
该系列MCU具有标准8051的端口(0、1、2和3)。
在C8051F040/2/4/6中有4个附加的8位端口(4、5、6和7),因此共有64个通用I/O端口。
这些I/O端口的工作情况与标准8051相似,但有一些改进。
每个端口引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。
在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止,这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。
可能最独特的改进是引入了数字交叉开关。
这是一个大的数字开关网络,允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚(见图1.9)。
与具有标准复用数字I/O的微控制器不同,这种结构可支持所有的功能组合。
可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。
这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。
除了5个16位的通用计数器/定时器之外,C8051F04xMCU系列还有一个片内可编程计数器/定时器阵列(PCA)。
PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和6个可编程的捕捉/比较模块。
时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一:
系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入(ECI)、系统时钟和外部振荡源/8。
每个捕捉/比较模块都有六种工作方式:
边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。
PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚。
C8051F04x系列器件内部有一个控制器局域网(CAN)控制器,使用CAN协议实现串行通信。
该CAN控制器符合Bosch规范2.0A(基本CAN)和2.0B(全功能CAN),方便了CAN网络通信设计。
CAN控制器包含一个CAN核、消息RAM(独立于C8051的RAM)、一个消息处理状态机以及控制寄存器。
CAN控制器可以工作在高达1M位/秒的位速率。
SiliconLabs的CAN有32个消息对象,每个消息对象有其自己的标识掩码,该标识掩码用于对接收到的消息进行过滤。
输入数据、消息对象和标识掩码存储在CAN消息RAM中。
与数据发送和接收过滤有关的所有协议处理均由CAN控制器完成,不需C8051MCU干预。
这就使得用于CAN通信的CPU带宽最小。
C8051通过特殊功能控制器(SFR)配置CAN控制器,读取接收的数据
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